板式无砟轨道扣件缓冲层刚度衰减评估及现场施工控制技术.pdf
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1、CONSTRUCTION MACHINERY 43SURVEYING专题论述板式无砟轨道扣件缓冲层刚度衰减评估及 现场施工控制技术杨江峰(中交二公局第三工程有限公司,陕西 西安 710016)摘要基于列车-轨道-路基全比尺三维有限元模型,模拟了高速行驶条件下扣件刚度衰减或增大时车-轨系统的动力响应,评估了行车安全性和舒适性以及扣件服役状态。最后,基于数值分析结果优化了新建西宁至成都铁路轨道施工及控制指标。研究表明:扣件刚度相对大小影响轮轨力波动方向,单点扣件不平顺和双侧扣件不平顺对轮轨力影响基本一致;提出了相对刚度离散系数,单点扣件完全失效不会造成显著的脱轨风险,刚度超286kN/mm时容易造
2、成脱轨风险;单点扣件支撑不平顺引起的振动可几乎被完全过滤吸收,几乎不会引起乘车舒适性下降;扣件刚度不平顺容易引起周围扣件反力显著增加,增加线路长期的维修和养护成本。关键词扣件系统;刚度不平顺;相对刚度离散系数;施工工艺优化中图分类号U213.2 文献标识码A 文章编号1001-554X(2024)01-0043-06Evaluation of stiffness attenuation of buffer layer of slab ballastless track fasteners and on-site construction control technologyYANG Jiang
3、-feng高速铁路承担着繁重的客运任务,是我国现代化公共交通基础设施中的重要组成部分。对于我国广泛使用的无砟轨道系统,扣件为钢轨提供足够的纵向阻力以防止其倾覆和纵向移动。同时,扣件系统为无砟轨道提供弹性支撑和阻尼,用以缓冲列车高速运行条件下的冲击荷载和噪声。然而,扣件结构处于周期性的拉压、剪切、弯曲及扭转的复合交变受力状态,其下方垫板受到列车反复的冲击荷载,极易导致扣件病害1。罗曜波等提出弹条的最大应力发生在与铁垫板接触的部位2。根据现场实测,扣件常出现弹条断裂损伤,其对钢轨的扣压力显著衰减3,4。在轨道转弯路段,弹条折断数量高达10%,带来严重的安全隐患5。扣件支撑刚度衰减导致线路支撑的平顺
4、性劣化,加剧高速列车与轨道的振动响应,进而产生严重安全隐患6。朱剑月通过室内小比尺模型及数值求解方法研究有砟轨道1、2个扣件失效的动力影响,结果表明,轨下扣件失效破坏了轨道结构支承的连续性,轮轨间相互作用增强;同时扣件支承失效将影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性,形成较长范围内线路不平顺,影响车辆运行平稳性与乘坐舒适度7。张斌运用数值分析方法,将失效扣件动刚度和阻尼量化为0,结果表明,扣件弹性失效使轮轨力等动力学指标成倍增长,且动力响应随着扣件数量增加而明显8。肖新标等通过数值分析计算的方法,并引入了“失效因子”,发现当连续5个扣件完全失效时对列车脱轨影响呈指数增长9。毛建红等采用数值计算
5、方法分析了高架桥梁结构形式下1个和3个扣件失效对耦合系统垂向振动响应的影响,结果表明,扣件失效对车体振动加速度的影响很小,但对钢轨振动加速度影响较大;扣件失效会加速相邻扣件的破坏10。DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.001收稿日期2023-08-07通讯地址杨江峰,陕西省西安经济技术开发区凤城二路12号44 建筑机械SURVEYING专题论述然而,无砟轨道螺栓型扣件受安装工艺、应力松弛或疲劳损伤等影响,其紧固扭矩可能存在较大的差异,且弹条局部失效仅仅导致支撑刚度的部分丧失。因此,考虑弹性垫板刚度时,直接将失效扣件节点刚度量化为0是不合理的,特别是因安装误差引起的单
6、个扣件节点刚度激增的研究较少,其对车轨耦合系统的动力响应问题都亟待解决。本文基于列车-轨道-路基垂向耦合振动理论及弹性层状体系建立了列车-轨道-路基全比尺三维有限元模型,模拟了列车高速行驶条件下扣件刚度衰减或增大时车-轨系统的动力响应。参考我国高速铁路工程动态验收技术规范高速铁路设计规范等评估行车安全性和舒适性,进一步分析了对临近扣件服役状态的影响。基于数值分析结果确定了新建西宁至成都铁路轨道施工保证线路基础支撑平顺性的施工工艺及控制指标。1 数值模型及工况由于高速列车行驶速度快,现场轨道结构工况组合复杂,难以在现场检测不同病害下车-轨系统的动力响应,而通常采用数值模型方法开展研究。本文重点分
7、析高速行驶列车作用下,因局部扣件刚度衰减或过大引起的轨道结构和车辆振动响应,其本质是多层弹性体与分布式移动质量块的耦合动力学问题。同时,考虑到本文将研究轨道的横向刚度不平顺引起的系统振动反应,因此建立了三维列车-轨道-路基有限元模型。其中,列车、轨道和路基均采用了弹性体单元。车体和转向架之间、转向架和车轮之间以弹簧-阻尼单元连接,车体和车体之间简化为互相独立;轨道结构基于CRTS I型双块板式无砟轨道建模,由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、隔离层、限位凹槽、混凝土底座和路基等组成。其中扣件以弹簧-阻尼单元模拟,其他结构层采用弹性体单元,层间设置为直接接触且无水平向位移。模型边界约束侧向位移
8、和转动,底部约束其垂向位移和转动,同时在模型边界设置较大的阻尼层以防止应力波反射造成的系统误差。本文基于福斯罗W300-1型扣件建立数值模型,其结构特征如图1所示,参数取值如表1所 示12,13。为了验证本文模型可靠性,取相同车速计算并对比静力作用下扣件反力分担情况,如图2所示,可见本文模型计算结果与文献13结果基本一致,可用于进一步数值计算。动力学分析中,列车车速取360km/h。本文扣件动刚度取值参考文献14的刚度-扭矩标准试验,对照组动刚度取36kN/mm;实验组刚度依次模拟了扣件部分失效到安装扭矩过大,为20 100kN/mm。同时,本文模拟了横向单点扣件和双侧扣件不平顺状况,共11组
9、工况,如表2所示。Sa36螺旋道钉Sk1 15弹条Is 15绝缘垫片Sdu 绝缘套管Wdp 轨距挡板Zw 轨垫Zwp 弹性垫板Grp 底板图1 W300-1型轨道扣件表1 数值模型计算参数钢轨轨道板CA砂浆层混凝土底座基床表层基床 底层密度/(g/cm3)7.802.601.82.72.01.8弹性模量/MPa2060003600030024000180130泊松比0.250.170.40.1670.250.252 系统动力响应及振动评估2.1 车-轨动力接触作用及安全性评估扣件刚度变化对轮轨力的激励作用如图2所示,图中分别表示扣件刚度低于和高于正常扣件CONSTRUCTION MACHINE
10、RY 452024/01总第575期0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0文献参考值/mm本文数值模型计算值/mmY=X图2 轨道结构参数可靠性验证表2 数值模型计算工况编号实验组对照组1234567891011刚度/(kN/mm)20305070 100 20305070 10036横向平顺性单点扣件刚度不平顺 双侧扣件刚度不平顺 平顺刚度(36kN/mm)时同一车轮的轮轨力的时程曲线。可知,车轮在到达病害扣件前约24个扣件之前,其与轨道的接触力即发生明显波动。在经过刚度突变点后,轮轨力达到峰值,经过1116个扣件以后才又逐渐趋于平稳。经过刚度不平顺区域时,两种工况下轮
11、轨力均经过了3个准周期运动后区域平缓,波动分别持续0.075s和0.1s。由于刚度的增减不同,车轮在达到刚度减少的扣件点前,由于钢轨变形的几何连续性,当下放扣件节点变为“软”支撑时,轮轨力表现为先卸载然后加载;同理,刚度突增情况下的轮轨力为先加载后卸载。图3为轨道横向刚度差异对轮轨接触力的影响,本文通过式(1)计算了单点刚度突变和两侧均突变条件下引起的同一车轮接触力的差值。同时,为了定量化描述刚度差异性,本文定义了相对刚度离散系数,如式(2)所示sdFFF (1)100mrrrGGgG (2)其中 Fs为单点扣件刚度变化时轮轨接触力(kN);Fd为对侧扣件刚度变化时轮轨接触力(kN);Gm为变
12、化后的扣件刚度值(kN/mm);Gr为正常的扣件刚度值(36kN/mm)。可见,在平顺阶段的轮轨力差值几乎为0,而两者最大差异发生在刚度变化的扣件附近。在本文所有的计算工况内,单点扣件和对侧扣件刚度变化引起的轮轨力差异最大仅为376N,仅为平顺条件下的0.45%,说明横向的扣件刚度差异形式对轮轨接触力影响不大。扣件刚度差异对轮轨力影响如图4所示,其中相对刚度离散系数表明纵向支撑刚度的不平顺性。对于波动过程中的轮轨力最大值和最小值,两者均随着刚度的不平顺程度增加而偏离初始值,且轮轨力的最小值对扣件刚度变化更敏感。轮轨力最大值和最小值与相对刚度离散系数拟合结果如表3所示。根据我国中国高速铁路设计规
13、范(TB 10621-2014),定义轮重减载率为车轮载荷减少量与平均静态车轮载荷之比,并使用0.65作为评价列车脱轨的风险阈值11。根据表3的拟合结果,当刚度离散系数gr为6.9时,即扣件刚度大于286kN/mm时将引起脱轨风险;而当单点扣件失效时,其刚度离散系数gr=16.9,因此不会带来脱轨风险。然而,考虑到刚度不平顺会加剧轨道系统的振动,进而引起轨道结构的持续弱化,平顺性控制仍对扣件节点施工连续性和稳定性提出了更高的要求。8082848688900.650.700.750.807075808590轮轨接触力/kN 刚度平顺组 单节点(20kNmm-1)单节点(30kNmm-1)对侧节点
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